一种Mg基双原子氮碳材料的制备方法及其应用

本发明属于碳材料和电催化领域，具体涉及一种mg基双原子氮碳材料的制备方法及其应用。

背景技术：

1、自工业革命以来，煤、石油、天然气等化石燃料的使用不断增加，导致大气中的二氧化碳(co2)的浓度不断上升。全球大气中的co2浓度已经从1750年的278ppm上升到2021年的415ppm，这导致了能源危机、全球气温升高、气候变化、海洋酸化和自然界碳循环的破坏等一系列环境与资源问题。因此，如何有效地转化和利用co2是目前人类最紧迫的任务之一。

2、尽管单原子催化剂取得了巨大的成功，但它们在涉及多种反应物、多种中间体和产物复杂的催化反应中遇到了相当大的挑战。首先，单原子催化剂的活性中心结构简单，活性位点只有一个孤立的原子，它只为活化的反应物提供一个吸附位点。然而，大多数催化反应通常是多个反应物共吸附，中间分子在催化剂表面形成多个化学键。这些局限性严重制约了单原子催化剂的发展和应用。因此发展具有高活性和高选择性的双原子位点，在二氧化碳还原领域具有重要意义。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种mg基双原子氮碳材料的制备方法及其应用。

2、所述的mg基双原子氮碳材料具有三维多孔菱形十二面体结构，镁与铁、镍、钴、铜、或锰以双原子对的形式均匀分布于材料的表面。

3、所述的mg基双原子氮碳材料的制备方法为：以三维zif-8为前驱体，在氮气或惰性气氛下热解得到氮碳材料；然后分散到溶剂中，随后加入mg配合物溶液搅拌反应，通过静电作用将mg配合物吸附到氮碳骨架上；反应完成后离心，再分散到溶剂中，加入金属盐溶液，搅拌反应，离心、干燥，沉淀在氮气或惰性气氛下热解得到mg基双原子氮碳材料；所述mg配合物、金属盐中的金属的质量分别为氮碳材料质量的0.5-5％。

4、所述的三维zif-8的合成方法为：将锌盐溶液和2-甲基咪唑配体溶液混合后移入反应釜中进行溶剂热反应，反应完成后降至室温，离心得到三维zif-8前驱体。

5、所述的锌盐溶液和2-甲基咪唑配体溶液采用的溶剂选自甲醇、乙醇、n,n-二甲基甲酰胺、去离子水中的一种或几种。

6、所述的锌盐选自硝酸锌、硫酸锌、氯化锌、乙酸锌中的一种或几种。

7、所述的溶剂热反应的温度为90-150℃，时间为2-6h。

8、所述mg配合物溶液的制备方法为：将镁盐溶液和配体溶液混合，搅拌反应得到mg配合物溶液。

9、所述镁盐选自硝酸镁、硫酸镁、氯化镁、乙酸镁中的一种或几种。

10、所述的配体选自2,2-联吡啶、1,10-邻菲罗啉中的一种或两种。

11、所述的镁盐和配体的摩尔比为1:1-3。

12、所述的镁盐溶液和配体溶液采用的溶剂选自甲醇、乙醇、n,n-二甲基甲酰胺、去离子水中的一种或几种。

13、所述的溶剂为甲醇、乙醇、异丙醇、n,n-二甲基甲酰胺、去离子水中的一种或几种。

14、所述的搅拌反应的时间为2-6小时。

15、所述热解的温度为700-1100℃，时间为40-400分钟，升温速率为2-10℃min-1。

16、所述的氮气或者惰性气体的流量为10-100ml min-1。

17、所述金属盐为亚铁氰化钾、钴氰化钾、镍氰化钾、亚铁氰化钠、钴氰化钠或镍氰化钠。

18、上述制备得到的mg基双原子氮碳材料在二氧化碳还原电催化中作为阴极催化剂的应用。

19、本发明以三维具有丰富的孔道结构的zif-8为框架，在氮气或惰性气氛下进行热解，形成氮碳材料；然后通过掺杂氮碳的静电作用将mg配合物吸附到掺杂氮碳骨架上，离心后重新分散到乙醇中加入第二种金属盐，搅拌反应后离心干燥，最后在氮气或惰性气氛下进行热解，形成mg基双原子氮碳材料。将该材料在中性条件下进行电化学二氧化碳还原测试，该材料的双位点的协同作用促进了二氧化碳还原能力，其在宽电势范围内均表现出较高的二氧化碳还原电催化性能，且具有良好的稳定性，显示出很高的应用价值。

技术特征：

1.一种mg基双原子氮碳材料，其特征在于，所述的mg基双原子氮碳材料具有三维多孔菱形十二面体结构，镁与铁、镍或钴以双原子对的形式均匀分布于材料的表面。

2.一种mg基双原子氮碳材料的制备方法，其特征在于，所述的制备方法的具体操作为：以三维zif-8为前驱体，在氮气或惰性气氛下热解得到氮碳材料；然后分散到溶剂中，随后加入mg配合物溶液搅拌反应，通过静电作用将mg配合物吸附到氮碳骨架上；反应完成后离心，再分散到溶剂中，加入金属盐溶液，搅拌反应，离心、干燥，沉淀在氮气或惰性气氛下热解得到mg基双原子氮碳材料；所述mg配合物、金属盐中的金属的质量分别为氮碳材料质量的0.5-5％。

3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述的三维zif-8的合成方法为：将锌盐溶液和2-甲基咪唑配体溶液混合后移入反应釜中进行溶剂热反应，反应完成后降至室温，离心得到三维zif-8前驱体。

4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述的锌盐溶液和2-甲基咪唑配体溶液采用的溶剂选自甲醇、乙醇、n,n-二甲基甲酰胺、去离子水中的一种或几种；所述的锌盐选自硝酸锌、硫酸锌、氯化锌、乙酸锌中的一种或几种；所述的溶剂热反应的温度为90-150℃，时间为2-6h。

5.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述mg配合物溶液的制备方法为：将镁盐溶液和配体溶液混合，搅拌反应得到mg配合物溶液。

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述镁盐选自硝酸镁、硫酸镁、氯化镁、乙酸镁中的一种或几种；所述的配体选自2,2-联吡啶、1,10-邻菲罗啉中的一种或两种；所述的镁盐和配体的摩尔比为1:1-3；所述的镁盐溶液和配体溶液采用的溶剂选自甲醇、乙醇、n,n-二甲基甲酰胺、去离子水中的一种或几种。

7.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述的溶剂为甲醇、乙醇、异丙醇、n,n-二甲基甲酰胺、去离子水中的一种或几种。

8.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述的搅拌反应的时间为2-6小时；所述热解的温度为700-1100℃，时间为40-400分钟，升温速率为2-10℃min-1。

9.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述金属盐为亚铁氰化钾、钴氰化钾、镍氰化钾、亚铁氰化钠、钴氰化钠或镍氰化钠。

10.根据权利要求2-9任一项所述的方法制备得到的mg基双原子氮碳材料在二氧化碳还原电催化中作为阴极催化剂的应用。

技术总结
本发明公开了一种Mg基双原子氮碳材料的制备方法及其应用。本发明以三维具有丰富的孔道结构的ZIF‑8为框架，在氮气或惰性气氛下进行热解，形成氮碳材料；然后通过掺杂氮碳的静电作用将Mg配合物吸附到掺杂氮碳骨架上，离心后重新分散到乙醇中加入第二种金属盐，搅拌反应后离心干燥，最后在氮气或惰性气氛下进行热解，形成Mg基双原子氮碳材料。将该材料在中性条件下进行电化学二氧化碳还原测试，该材料的双位点的协同作用促进了二氧化碳还原能力，其在宽电势范围内均表现出较高的二氧化碳还原电催化性能，且具有良好的稳定性，显示出很高的应用价值。

技术研发人员：刘军枫,马占帅,王兵庆,韩爱娟
受保护的技术使用者：北京化工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/6/2